SUITA, Nhật Bản — Con đường đến với mạng không dây 6G vừa trở nên dễ dàng hơn một chút. Các nhà khoa học đã có bước tiến đáng kể trong công nghệ terahertz, có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta giao tiếp trong tương lai. Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát triển một thiết bị silicon nhỏ có thể tăng gấp đôi dung lượng của mạng không dây, đưa chúng ta đến gần hơn với lời hứa về 6G và hơn thế nữa.
Hãy tưởng tượng một thế giới mà bạn có thể tải xuống toàn bộ một mùa của chương trình yêu thích của mình chỉ trong vài giây hoặc nơi thực tế ảo có cảm giác chân thực như thực tế. Đây là những gì các nhà khoa học tin rằng công nghệ terahertz có khả năng mang lại cho thế giới. Công trình của họ đã được công bố trên tạp chí Laser & Photonics Review.
Kỳ quan nhỏ bé này, một con chip silicon nhỏ hơn một hạt gạo, hoạt động trong một phần của quang phổ điện từ mà hầu hết chúng ta chưa từng nghe đến: dải terahertz. Hãy nghĩ về quang phổ điện từ như một xa lộ thông tin rộng lớn.
Hiện tại, chúng ta đang đi trên những làn đường tương đối chậm của 4G và 5G. Công nghệ terahertz? Đó là làn đường tốc hành, hứa hẹn tốc độ khiến mạng lưới hiện tại của chúng ta trông giống như xe ngựa kéo khi so sánh.
Sóng terahertz chiếm một vị trí lý tưởng trong quang phổ điện từ giữa sóng vi ba và ánh sáng hồng ngoại. Chúng từ lâu đã được coi là một ranh giới đầy hứa hẹn cho truyền thông không dây vì chúng có thể truyền tải một lượng lớn dữ liệu. Tuy nhiên, việc khai thác tiềm năng này vẫn còn nhiều thách thức do những hạn chế về mặt kỹ thuật.
Thiết bị mới của các nhà nghiên cứu, được gọi là "bộ ghép kênh phân cực", giải quyết một trong những rào cản chính trong truyền thông terahertz: quản lý hiệu quả các phân cực khác nhau của sóng terahertz. Phân cực đề cập đến hướng dao động của sóng. Bằng cách khéo léo điều khiển các phân cực này, nhóm nghiên cứu về cơ bản đã tạo ra một hệ thống kiểm soát giao thông cho sóng terahertz, cho phép truyền nhiều dữ liệu hơn cùng lúc.
Nếu điều đó nghe có vẻ giống như thuật ngữ khoa học, hãy nghĩ về nó như một cảnh sát giao thông cho dữ liệu, có khả năng điều hướng lượng thông tin gấp đôi trên cùng một con đường mà không gây tắc nghẽn.
Điểm cốt lõi của cải tiến này là một con chip silicon nhỏ gọn chỉ rộng vài milimét. Mặc dù có kích thước nhỏ, con chip này có thể tách và kết hợp sóng terahertz với các phân cực khác nhau với hiệu suất đáng kể. Giống như có một máy phân loại sóng ánh sáng cực kỳ chính xác.
Để tạo ra thiết bị này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một tấm wafer silicon dày 250 micromet có điện trở rất cao. Họ sử dụng một kỹ thuật gọi là khắc ion phản ứng sâu để khắc các hoa văn phức tạp vào silicon. Các hoa văn này, bao gồm các lỗ và cấu trúc được thiết kế cẩn thận, tạo thành thứ được gọi là "môi trường hiệu quả" - một vật liệu tương tác với sóng terahertz theo những cách cụ thể.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thử nghiệm bằng thiết bị chuyên dụng. Họ đã sử dụng một máy phân tích mạng vectơ với các mô-đun mở rộng có khả năng tạo và phát hiện sóng terahertz trong phạm vi 220-330 GHz với mức mất tín hiệu tối thiểu. Điều này cho phép họ đo lường mức độ thiết bị có thể xử lý các phân cực khác nhau của sóng terahertz trên nhiều tần số khác nhau.
Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị của họ có thể tách và kết hợp hiệu quả hai phân cực khác nhau của sóng terahertz với hiệu suất cao. Thiết bị cho thấy mức mất tín hiệu trung bình chỉ khoảng 1 decibel - một con số thấp đáng kể cho thấy rất ít năng lượng bị lãng phí trong quá trình này. Ấn tượng hơn nữa, thiết bị duy trì tỷ lệ tiêu diệt phân cực (một thước đo mức độ phân biệt giữa các phân cực khác nhau) trên 20 decibel trên toàn bộ phạm vi hoạt động của nó. Điều này rất quan trọng để đảm bảo rằng dữ liệu được truyền trên các phân cực khác nhau không gây nhiễu lẫn nhau.
Để đưa tiềm năng của công nghệ này vào đúng góc nhìn, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một số thử nghiệm thực tế. Trong một cuộc trình diễn, họ đã sử dụng thiết bị của mình để truyền hai luồng video độ nét cao riêng biệt đồng thời qua một liên kết terahertz. Điều này cho thấy khả năng xử lý nhiều luồng dữ liệu cùng một lúc của công nghệ, tăng gấp đôi lượng thông tin có thể được gửi qua một kênh duy nhất.
Nhưng nhóm nghiên cứu không dừng lại ở đó. Trong các thử nghiệm nâng cao hơn, họ đã đẩy giới hạn tốc độ truyền dữ liệu. Sử dụng một kỹ thuật gọi là khóa bật-tắt, họ đã đạt được tốc độ dữ liệu không lỗi lên đến 64 gigabit mỗi giây. Khi họ sử dụng một sơ đồ điều chế phức tạp hơn (16-QAM), họ đã đạt được tốc độ dữ liệu đáng kinh ngạc lên đến 190 gigabit mỗi giây. Điều đó tương đương với việc tải xuống 24 gigabyte - hoặc khoảng sáu bộ phim độ nét cao - chỉ trong một giây. Đây là một bước nhảy vọt đáng kinh ngạc so với các công nghệ không dây hiện tại.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết không chỉ là về tốc độ. Thiết bị này cũng cực kỳ linh hoạt.
Tiến sĩ Weijie Gao, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Osaka và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết thêm: "Sự đổi mới này không chỉ nâng cao hiệu quả của các hệ thống truyền thông terahertz mà còn mở đường cho các mạng không dây tốc độ cao mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn".
